一种电容式微加速度计的结构设计和工艺仿真

微硅电容式加速度计是目前微硅加速度传感器发展的主流,本文在硅-玻璃阳极键合工艺同深槽刻蚀工艺相结合的加工技术基础之上设计了一种电容式微加速度计,该结构将两种改变平行板电容量的方式有效的结合在一起,提高了结构的灵敏度并具有较好的线性度.最后,对所设计的结构进行了工艺仿真,通过虚拟工艺仿真结果与设计进行比较,论证了结构的基本可行性.     

捷联惯导系统加速度计标度因数和安装误差的试验标定

研究了捷联惯导系统惯性测量组合中加速度计标度因数和安装误差的标定问题。对捷联惯性测量组合中3路加速度计建立了输出模型,提出了在三轴转台上采用多位置试验对加速度计标度因数和安装误差进行标定的方法。实验表明,本方法能够有效地标定出惯性测量组合中加速度计的标度因数和安装误差,具有较高的精度,对提高捷联惯导系统的精度有着重要的作用。     

电容式微加速度计的研制

以一个电容式微加速度计为设计实例来介绍了基于IP库MEMS设计的流程,其中主要包括四个部分:原理分析,结构设计,工艺流程和版图设计,封装及电路测试。首先根据需求设计出加速度计的基本结构;然后对该结构进行工艺流程和版图的设计;并利用虚拟工艺来进行仿真和可加工性验证;得到的三维结构通过接口导出到FEM中进行数值分析;接着将数值分析的结果进行基于FEM的运动学建模;求解得到的运动规律,以宏模型的形式存入IP库中;与此同时,利用虚拟运行进行可视化行为级的仿真。     

电容式微加速度计的噪声分析

噪声是以微弱信号处理为特征的电容式微加速度计性能提高的主要制约因素。针对电容式微加速度计的噪声,详细分析和研究了其特性。首先分析了电容式微加速度计的系统噪声由机械热噪声和电路噪声两部分组成;采用热力学均分理论和集成电路噪声特性分别对机械热噪声和电路噪声进行建模、分析和计算,得到了机械热噪声等效噪声加速度和各级电路的噪声值。然后用自行设计的微加速度计表头和接口电路进行试验,实验结果验证了噪声模型的正确性,确认了电容式微加速度计电容检测电路—电荷放大器是最主要的噪声源。     

一种加速度计的标定补偿方法研究

针对微惯性测量组合(MIMU)中的三轴加速度计因为安装误差的缘故,会在恶劣的锥运动环境下出现误差发散问题,本文提出一种基于三轴位置速率转台的静态旋转多位置补偿标定方法.本文通过分析误差角补偿模型来设计相应的标定试验流程,然后利用非线性拟合的数据处理方法,准确计算出标度因数矩阵和加速度计电压.最后,经过标定试验和误差计算,与十二位置标定法对比发现,本文所设计的标定补偿方法能够将误差小一个数量级,能有效提高加速度计输出精度,具有重要的工程实践意义.     

电容式微加速度计的噪声特性

电容式微加速度计的噪声包括机械热噪声和电热噪声 ;主要分析了机械热噪声在开环系统和闭环系统中的噪声特性以及开环系统和闭环系统检测的动态范围 ,提出电容式微加速度计的噪声主要由机械热噪声的大小决定 ;同时 ,机械热噪声的大小又主要取决于温度和机械阻尼的大小     

非硅MEMS电容式微加速度计的测控电路设计

为了提高MEMS微加速度计的量程和抗过载能力,设计了基于UV-LIGA技术的非硅MEMS电容式微加速度计。针对该加速度计,设计了基于相敏解调的差分电容测控电路。检测通道主要由前置级电荷积分放大电路、带通滤波电路、相敏解调器、低通滤波以及电平转换电路组成,反馈通道由低通滤波和加法电路组成。完成了微加速度计测控电路的调试和检测通道的标定实验,实验表明:检测通道的量程约为±6 pF,灵敏度为89.3 mV/pF,线性度为2.59%,满足加速度计检测通道的要求。     

电容式微加速度计开环模式非线性模型

针对当前电容式微加速度计量程不高、开环模式非线性误差大的特点,根据力学理论和电路读出原理,并基于非线性特性中最大可测量加速度、初始工作点和吸合点与动定电极间距d的变化规律,提出了电容式微加速度计非线性模型.模型指出,随着输出电压的增加,可测量加速度近似成线性增加,在靠近最大可测量加速度αmax时斜率增大,其后随输出电压的增加而减小至吸合点;αmax由d和微结构梁弹性常数与质量之比λ决定,且d的作用优于λ;d在小于初始工作点时加速度计不能工作,该点由传感头参数η决定,且η的最佳取值范围为1×1019～2×1019,此时准静态条件下吸合点大于整个动电极行程的95%.该模型的提出对开环式加速度计的非线性误差纠正提供了理论支持,对加速度计的结构设计具有参考价值.     

一种双轴电容式微机械加速度计

提出一种双轴电容式微机械加速度计的结构形式.采用一个质量块敏感两个正交方向的加速度,设计的弹性支撑结构巧妙地实现了正交方向的解耦,且结构稳定性好,以梳齿电容实现差动的静电驱动、电容检测.利用MATLAB软件对敏感结构参数、性能参数进行了计算、分析,用ANSYS仿真软件对敏感结构进行了静态和模态分析,从理论上验证了所提出的双轴电容式微机械加速度计整体结构的可行性.     

微机电加速度计的六位置标定

加速度计是惯性导航系统测量载体加速度和影响惯性导航系统精度的主要元器件.为提高惯性导航系统的精度,在使用加速度计以前需要进行加速度计的标定测试[1].主要介绍了微机电(Micro Electro Mechanical Systems,简称MEMS)加速度计的六位置标定法,以便从MEMS加速度计的误差模型中分离出MEMS加速度计的各项标定参数.这些参数包括MEMS加速度计的标度因数、零位漂移以及安装误差系数.并且在得到MEMS加速度计的各项标定参数后将其封装在C函数中进行了验证实验.实验结果表明MEMS加速度计的六位置标定法的原理简单并且在工程应用中容易实现,所得到的MEMS加速度计的输出不但反映了MEMS加速度计的实际输出,而且使MEMS加速度计的线性度得到改善.     

电容式加速度计自动校零技术的研究

阐述了采用静电力自动调整微机械(MEMS)电容式加速度计零点的基本原理,设计了数字电位器MAX4502与单片机接口的自动校零电路,并给出了自动校零的程序流程图.实验表明:零点可以伺服稳定在30μV以内,调零快、调零效果较好.     

硅微加速度计温度特性分析与误差补偿

环境温度对硅微加速度计的检测精度具有较大影响,并最终影响导航系统的精度.因此,准确标定环境温度对微加速度计使用性能的影响,并建立温度补偿模型,对于实际工程应用至关重要.在-20～60℃温度区间,通过实验得到微加速度计的零偏与标度因数,并采用线性拟合与Lorentz曲线拟合构建了温度补偿模型,后者使测量结果的稳定性精度提高了1个数量级,具有较好的实际应用价值.     

微机械电容式加速度计检测电路设计

通过对MEMS电容式加速度计的差分电容检测电路优缺点的比较,结合直流充放电检测方法和交流测量方法的优点,设计了微分检测电路,用方波作为载波。该电路由方波信号发生器、微分电路、全波整流电路和滤波电路组成。经试验验证:可检测到10-16F的差分电容,且其非线性度小于±1%FS,可作为MEMS电容式加速度计的后续处理电路。     

舰船模型试验用加速度计标定方法研究

为模拟舰船模型运动过程中加速度的输出状态,通过加速度计的静态输出与转台旋转的动态输出相结合的方法来实现.利用最小二乘法、阻尼最小二乘法以及Isight数据优化方法来处理测量数据,并得到加速度计的标定系数,从而使标定后的加速度计达到工程应用的精度.     

一种基于六姿态模型的加速度计校准方法研究

MEMS加速度计和陀螺仪是惯性导航系统的重要测量组件.为提高惯性导航系统的测量精度,在使用加速度计前需要对其各项参数进行标定.在构建了一种理想的三轴MEMS加速度传感器输出与重力加速度值、零偏、标度因子之间的模型基础上,根据加速度计在静止状态下重力加速度在各轴分量的模值与重力加速度的关系,提出了一种零偏和标度因子的六姿态校准方法,并建立了标定方程.以MPU6050加速度陀螺仪为例,通过实验验证了该方法的正确性.结果表明:通过该校准方法可以有效地提高加速度传感器的零偏和标度因子技术指标精度.     

基于AKPSO算法的加速度计快速标定方法

针对粒子群优化（ PSO）算法在加速度计标定优化后期出现的早熟、陷入局部最优的不足,以及KalmanPSO（ KPSO）算法在设计与应用过程中存在的缺陷,提出了基于自适应 Kalman 滤波的改进 PSO （ AKPSO）算法,并将其成功应用于加速度计快速标定。利用粒子群状态空间Markov链模型,建立了粒子群系统状态方程和观测方程;采用指数加权的自适应衰减记忆Kalman滤波来对粒子的位置进行估计。加速度计标定仿真结果表明：所提出的算法在收敛速度、收敛精度方面都要优于PSO,KPSO算法,有效地提高了加速度计的标定精度。     

谐振式微加速度计设计与加工误差分析

为提高谐振式微加速度计的灵敏度和精确度,设计了放大惯性力的柔性微杠杆机构,从理论上分析了微杠杆机构的不对称误差,设计了误差消除机构;经有限元仿真分析证明:所设计的机构能有效减小由不对称误差产生的横向力,有效地消除了放大机构不对称误差对谐振器的影响。分析了形状加工误差对加速度计性能的影响,为制作高灵敏度和高精确度加速度计提供了保障。     

谐振原理在硅微机械加速度计中的应用

将谐振原理应用于微硅机械加速度计中，可以改善后者输出信号的质量，降低检测难度。随着微机电系统工艺的发展，谐振式微加速度计巳成国硅微机械加速度计发展的新趋势。     

基于微加速度传感器的无线鼠标的设计

研究基于微加速度传感器的无线鼠标的设计,讨论了MEMS无线鼠标的软件、硬件设计和系统组成,给出了M atlab环境下系统的模型和算法。模拟结果说明:无线鼠标的设计是合理可行的,提出的二次积分近似算法是简捷有效的。     

基于金硅原电池保护电容加速度计的制作

提出并实现了一种利用SoI结合金硅原电池保护和反熔丝制作电容式加速度计的新工艺方法。该工艺用SoI顶层硅制作梁和上电极,用衬底制作质量块。采用DRIE从正面刻蚀形成释放孔,TMAH腐蚀实现质量块的释放,在TMAH腐蚀过程中利用金硅原电池保护实现梁和表面极板的保护。在TMAH腐蚀完成前,反镕丝保持断开状态,腐蚀完成后,击穿反镕丝形成导通状态。通过测量金和硅的极化曲线得到60℃25%TMAH中实现原电池保护的金硅面积比不小于5∶1。成功制作成电容式加速度计结构,释放前后梁宽度均在9.4～10μm范围内,表明原电池保护有效。击穿后反熔丝并联导通电阻为5～25 kΩ之间。